3. Methodology 44
3.4. Computer Assisted Data Analysis 73
A continuación se presentan algunos resúmenes de trabajos acerca de estudios de las propiedades de transporte en las SBA-16.
Capítulo 1 27
Gobin (2006) determinó la difusividad mediante la técnica de longitud de columna cero (LCC) de los hidrocarburos n-heptano, cumeno y mesitileno en materiales SBA-16. Él sintetizó un conjunto de estos materiales con diferentes propiedades estructurales. El encontró que la difusividad efectiva del n-heptano, cumeno y mesitileno es de 1,27x10-13 3,53x10-14 y 2,74 x10-14 m2/s a 50 ºC. Estos valores fueron obtenidos en una SBA-16 con tamaño de partícula de 15 μm y con un tratamiento hidrotermal de un día a 60 ºC. En general, él encontró que la difusividad efectiva del n-heptano es la más rápida que la difusividad del cumeno y mesitileno en las diferentes sílices SBA-16. Luego el diámetro cinético de las moléculas es el factor limitante para la difusión. Los diámetros cinéticos de n-heptano, cumeno y mesitileno son 0,43; 0,67 y 0,87 nm respectivamente. En materiales SBA-16 sintetizados con poros cilíndricos de tamaño microporoso se limita el acceso del cumeno y mesitileno al poro tipo caja. El incremento de la temperatura de síntesis de 45 °C a 60 °C favorece el aumento del tamaño de los poros cilíndricos. Esto ayuda a que el cumeno y mesitileno puedan entrar a los poros tipo caja más rápidamente. Él estableció que los mecanismos de difusión presentes en las sílices SBA-16 son en su mayoría difusión de Knudsen y difusión intracristalina, la cual se presenta cuando los poros de la sílice poseen diámetros comparables a los diámetros de los hidrocarburos.
Huang et al. (2010) caracterizaron la difusión mediante la técnica LCC de heptano, cumeno y mesitileno en sílices SBA-15, SBA-16 y MCM-48 así como en el material microporoso SSZ-42. Ellos reportan para el cumeno valores de difusividad relativos al tamaño de la partícula de la SBA-16 (De/R2) de 1,05x10-4; 1,32 x10-4 y 2,06 x10-4 s-1 a las
temperaturas de 50; 70 y 90 ºC, respectivamente. Ellos demostraron que la estructura tridimensional de los poros de la SBA-16 permite una difusión mucho más rápida que la que se presenta en los poros cilíndricos rectos de la SBA-15. Además, que la energía de activación es significativamente más alta en la SBA-16 que en la SBA-15. Para todos los flujos de purga (100; 150 y 190 mL/min) las medidas obtenidas por el experimento LCC ocurren en un régimen controlado cinéticamente. Ellos concluyen que la técnica LCC es eficaz y relativamente barata para ser utilizada como una herramienta adicional para la caracterización de materiales porosos.
28 Estudios de las propiedades de transporte en …
Dvoyashkin et al. (2010) estudiaron la difusión del ciclohexano, por medio de resonancia magnética nuclear con gradiente de campo pulsado (RMN-GCP), en vidrios de sílice mesoporosa con poros controlados (VPC). En el estudio se utilizaron VPC con diferentes grados de silanización superficial. Ellos encontraron que la modificación de la superficie del vidrio sílice con moléculas dimetiloctadecilmetoxisilano reduce la autodifusividad del ciclohexano en comparación con una muestra de sílice sin modificar. El coeficiente de autodifusividad para una muestra de VPC sin modificar es de 2,6x10-9 m2s-1 con un diámetro promedio de poro de 98 nm. Mientras que una muestra de VPC modificada es de 1,7x10-9 m2s-1 con un diámetro promedio de poro de 92 nm. Ellos concluyen que en el proceso de difusión tanto en la sílice modificada como sin modificar las contribuciones del mecanismo de difusión Knudsen son importantes.
En este trabajo se emplea la técnica experimental de no equilibrio FTIR para la determinación de los coeficientes de difusión efectiva del hidrocarburo ciclohexano en la sílice SBA-16. A continuación se presenta la metodología empleada para dicha determinación.
2. Hipótesis y objetivos
2.1 Hipótesis
Las propiedades de transporte molecular de masa de materiales porosos pueden ser obtenidas a partir de la espectroscopía de infrarrojo con transformada de Fourier. Asimismo, los modelos de red generados mediante simulación computacional, pueden ser utilizados para representar materiales con poros aleatorios y caracterizar la estructura de estos materiales en términos de conectividad y cuantificar la difusividad efectiva.
2.2 Objetivos generales
Determinar los coeficientes de difusión del hidrocarburo ciclohexano, en el material porosos SBA-16 mediante espectroscopía de infrarrojo con transformada de Fourier.
Desarrollar un modelo de red en el cual se pueda modular la porosidad y conectividad y que permita simular el transporte molecular de masa, en términos de la difusividad efectiva.
2.2.1 Objetivos específicos
Configurar un montaje experimental adecuado con el equipo de FTIR que permita evaluar la variación de la concentración de un sorbato con el tiempo en materiales porosos.
Medir la variación de la cantidad de ciclohexano en los materiales SBA-16 a diferentes temperaturas para construir las curvas de la difusión.30 Estudio de las propiedades de transporte en … Construir un modelo de red de poros adecuado para representar materiales
porosos desordenados y en el cual se puedan modular características estructurales como porosidad y conectividad entre otros.
Implementar mediante la técnica Monte Carlo la simulación del proceso de difusión que tiene lugar en materiales porosos desordenados.
3. Metodología
3.1 Materiales
Los materiales mesoporosos SBA-16 fueron suministrados por el grupo de investigación de Ciencia de los Materiales de la Universidad de Antioquia. Estos materiales fueron obtenidos a partir de una síntesis reportada en la literatura (Sierra et al., 2004). Estos materiales fueron calcinados a 673 K con el fin de remover los tensoactivos. La calcinación se realizó mediante un calentamiento a una velocidad de 1,5 ºC/min y manteniendo luego la temperatura alcanzada durante 4 horas (Mesa et al., 2005). Como molécula prueba para los experimentos de la difusión se utilizó el ciclohexano. Este es un hidrocarburo saturado, apolar y cíclico de 6 átomos de carbono (McMurry, 2000). Es un líquido incoloro en un contexto normal, que tienen una presión de vapor correspondiente a 12,7 kPa a 20 °C. Estas características permiten reducir las interaciones intermoleculares ciclohexano - pared de la sílice para eliminar otros efectos que no son considerados como el de adsorción. Dadas estas propiedades físicoquímicas y su fácil consecución se eligió como sustancia prueba para la determinación de los coeficientes de difusión efectiva en la sílice SBA-16. El ciclohexano (99%, Aldrich) fue utilizado en los experimentos de difusión y tratado previamente para retirar la humedad.